一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法及装置与流程

1.本发明涉及配电网保护技术领域，具体涉及一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法及装置。


背景技术：

2.近年来，为了解决日益严重的能源枯竭和环境问题，清洁能源发电技术，尤其是风力和光伏发电得到了迅速发展和广泛应用，分布式电源接入配电网将成为未来配电网发展的主流。传统配电网通常为单电源的辐射状网络，网络中的潮流分布情况也较为单一，即沿配电线路由电源端流向负荷端。逆变型分布式电源(inverter-based distributed generator，ibdg)接入后，配电网网络拓扑结构变得更加复杂，潮流不再是简单的单向流动，这导致故障特征与传统配电网有明显的差异，故障电流方向难以确定，进而影响到配电网的保护控制系统。同时，ibdg具有区别于旋转型分布式电源的故障特征，传统电流保护因而在保护范围、整定配合、选择性等方面面临严峻考验。
3.因此，为了应对大量逆变型分布式电源接入配电网所带来的影响，保证配电网保护正确动作，设计一种有源配电网保护控制方案有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.为了克服上述缺陷，本发明提出了一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法及装置。
5.第一方面，提供一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法，所述含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法包括：
6.获取配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值；
7.基于配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值对被保护线路进行纵联保护。
8.优选的，所述被保护线路的正序差动阻抗的计算式如下：
[0009][0010]
上式中，zd为被保护线路的正序差动阻抗，z
1+
为被保护线路近电源端的正序差动阻抗，z
2+
为被保护线路远电源端的正序差动阻抗，z
l1
为被保护线路总正序阻抗。
[0011]
进一步的，所述基于配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值对被保护线路进行纵联保护，包括：
[0012]
当所述被保护线路的正序差动阻抗满足第一判据时，通过被保护线路两端安装的纵联保护装置控制被保护线路两端安装的断路器断开；
[0013]
当所述被保护线路的近电源端的正序阻抗满足第二判据、所述被保护线路的近电源端的正序电流幅值满足第三判据且所述被保护线路的远电源端的正序电流幅值满足第四判据时，通过被保护线路两端安装的纵联保护装置控制被保护线路两端安装的断路器断
开。
[0014]
进一步的，所述第一判据的数学表达式如下：
[0015]
zd≥k
res
·zres
[0016]
上式中，k
res
为制动系数，z
res
为制动阻抗。
[0017]
进一步的，所述制动阻抗的计算式如下：
[0018][0019]
上式中，θ
12
为被保护线路两侧正序阻抗的相角差。
[0020]
进一步的，所述第二判据的数学表达式如下：
[0021][0022]
上式中，k
zrel
为第一可靠系数。
[0023]
进一步的，所述第三判据的数学表达式如下：
[0024][0025]
上式中，i
1+
为被保护线路的近电源端的正序电流幅值，k
irel
为第二可靠系数，i
dg1max
为被保护线路下游所有分布式电源并网运行时近电源端保护安装处上游侧故障点所能提供的最大短路电流。
[0026]
进一步的，所述第四判据的数学表达式如下：
[0027][0028]
上式中，i
2+
为被保护线路的远电源端的正序电流幅值，k
irel
为第二可靠系数，i
dg2max
为被保护线路下游所有分布式电源并网运行时远电源端保护安装处上游侧故障点所能提供的最大短路电流。
[0029]
第二方面，提供一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护装置，所述含逆变型分布式电源的配电网纵联保护装置包括：
[0030]
获取模块，用于获取配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值；
[0031]
纵联保护模块，用于基于配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值对被保护线路进行纵联保护。
[0032]
优选的，所述纵联保护模块具体用于：
[0033]
当所述被保护线路的正序差动阻抗满足第一判据时，通过被保护线路两端安装的纵联保护装置控制被保护线路两端安装的断路器断开；
[0034]
当所述被保护线路的近电源端的正序阻抗满足第二判据、所述被保护线路的近电源端的正序电流幅值满足第三判据且所述被保护线路的远电源端的正序电流幅值满足第四判据时，通过被保护线路两端安装的纵联保护装置控制被保护线路两端安装的断路器断开。
[0035]
第三方面，提供一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行所述的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法。
[0036]
第四方面，提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法。
[0037]
本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
[0038]
本发明涉及配电网保护技术领域，具体提供了一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法及装置，包括：获取配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值；基于配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值对被保护线路进行纵联保护。本发明提供的技术方案结合配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值实现了识别含逆变型分布式电源的配电网的两相短路故障和三相金属性短路故障的目的。
[0039]
进一步的，正序阻抗分量受系统复杂故障特性影响较小，采用纵联保护的多点信息保护原理，避免了基于本地信息保护原理的固有缺陷。通过利用ibdg配电网利用区外、区内故障正序阻抗存在明显幅值差异的特点，定义正序差动阻抗，并构造带有制动特性的保护判据，达到了减少分支负荷对故障判别影响的目的，可以有效识别两相故障和三相故障。通过构造正序阻抗与正序电流幅值综合保护判据，解决了三相金属性短路故障时的死区问题，对该方法进行了完善。
附图说明
[0040]
图1是本发明实施例的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法的主要步骤流程示意图；
[0041]
图2是本发明实施例的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法的逻辑示意图；
[0042]
图3是本发明实施例的所采用的含逆变型分布式电源配电网仿真模型示意图；
[0043]
图4是本发明实施例的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法的具体实施流程图；
[0044]
图5是本发明实施例的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护装置的主要结构框图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
参阅附图1，图1是本发明的一个实施例的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法的主要步骤流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法主要包括以下步骤：
[0048]
步骤s101：获取配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值；
[0049]
步骤s102：基于配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及
两端正序电流幅值对被保护线路进行纵联保护。
[0050]
其中，所述被保护线路的正序差动阻抗的计算式如下：
[0051][0052]
上式中，zd为被保护线路的正序差动阻抗，z
1+
为被保护线路近电源端的正序差动阻抗，z
2+
为被保护线路远电源端的正序差动阻抗，z
l1
为被保护线路总正序阻抗。
[0053]
在一个实施方式中，所述基于配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值对被保护线路进行纵联保护，如图2所示，包括：
[0054]
当所述被保护线路的正序差动阻抗满足第一判据时，通过被保护线路两端安装的纵联保护装置控制被保护线路两端安装的断路器断开；
[0055]
当所述被保护线路的近电源端的正序阻抗满足第二判据、所述被保护线路的近电源端的正序电流幅值满足第三判据且所述被保护线路的远电源端的正序电流幅值满足第四判据时，通过被保护线路两端安装的纵联保护装置控制被保护线路两端安装的断路器断开。
[0056]
其中，所述第一判据的数学表达式如下：
[0057]
zd≥k
res
·zres
[0058]
上式中，k
res
为制动系数，其值在0-1中选取，区内经大过渡电阻故障时，需降低k
res
的取值来提高保护抗过渡电阻能力，区内分支负荷较大时，需提高k
res
的取值来防止保护误动，z
res
为制动阻抗。
[0059]
所述制动阻抗的计算式如下：
[0060][0061]
上式中，θ
12
为被保护线路两侧正序阻抗的相角差。
[0062]
所述第二判据的数学表达式如下：
[0063][0064]
上式中，k
zrel
为第一可靠系数，其值一般取1.1～1.3，以达到保护线路全长的目的。
[0065]
所述第三判据的数学表达式如下：
[0066][0067]
上式中，i
1+
为被保护线路的近电源端的正序电流幅值，k
irel
为第二可靠系数，其值一般取2.0，i
dg1max
为被保护线路下游所有分布式电源并网运行时近电源端保护安装处上游侧故障点所能提供的最大短路电流。
[0068]
所述第四判据的数学表达式如下：
[0069][0070]
上式中，i
2+
为被保护线路的远电源端的正序电流幅值，k
irel
为第二可靠系数，i
dg2max
为被保护线路下游所有分布式电源并网运行时远电源端保护安装处上游侧故障点所能提供的最大短路电流。
[0071]
在一个最优的实施方式中，本发明在pscad平台中搭建如图3所示有源配电网模型，电源容量为25mw，各线路区段长度均为10km，线路正序电阻为0.17ω/km，正序对地电感为1.2mh/km，正序对地电容为0.0097μf/km，线路零序电阻为0.23ω/km，零序对地电感为5.48mh/km，零序对地电容为0.0060μf/km，线路故障点均设置在线路区段的中点。各负荷点有功负荷均为2mw，无功负荷均为1.2mvar在节点2处接入不平衡分支负荷，在节点3处接入0.5mw的光伏电源(采用pq控制策略)。
[0072]
设置线路区段l1为被保护线路区段，在l1线路进行正序阻抗纵联差动保护方案的验证，分别在上游、区内、下游以及相邻线路设置相间故障，来进行有效性的验证，如图4所示，具体包括：
[0073]
步骤(a)在含逆变型分布式电源配电网线路的各段线路两端加装断路器，并在被保护线路两端各设置一个纵联保护装置，进行故障检测并控制相应断路器，在被保护线路两端以及下游线路两端设置检测装置，来检测电压和电流。
[0074]
步骤(b)根据检测装置确定正常运行情况下流过被保护线路进系统端的正常最大运行电流，把被保护区段近系统侧检测点检测到的电流与最大正常运行电流进行比较，以此作为线路区段保护启动的依据。若配电网发生故障后，该点监测到的正序电流小于正常最大运行电流，则可以认为整条线路为正常线路，反之，则认为整条线路中存在故障，对该线路中的被保护的具体区段进行故障检测。
[0075]
正常运行情况下，l1线路段靠近系统侧保护流过的正常最大运行电流为0.36ka。
[0076]
步骤(c)配电网发生两相故障或者三相故障后，通过公式(1)来计算被保护线路各检测点的正序阻抗。
[0077][0078]
式中，u+为检测点正序电压，i+为检测点正序电流。
[0079]
纵联保护方法根据式(1)计算出被保护线路的正序差动阻抗：
[0080][0081]
式中：z
1+
为被保护线路近系统端正序阻抗，z
2+
为被保护线路远系统端正序阻抗，z
l1
为被保护线路总正序阻抗，可由线路长度相乘单位正序阻抗求得。
[0082]
在线路中进行仿真实验，表1显示了从f1到f3不同故障位置发生不同故障后，线路l2的正序阻抗以及正序差动阻抗。
[0083]
表1
[0084]
[0085][0086]
步骤(d)纵联保护方法根据正序阻抗在区内外故障时的特征差异来设置纵联保护判据。区外故障时，正序差动阻抗其值约为0；区内故障时，正序差动阻抗其值远大0。
[0087][0088]
式中：z
set
为正序差动阻抗幅值门槛，其值为区外故障时，线路产生的最大不平衡电流所引起的最大不平衡电阻。
[0089]
将式(2)中求得的正序差动阻抗，与正序差动阻抗幅值门槛进行比较，若正序差动阻抗大于等于幅值门槛，则判定线路发生故障，反之，则判定线路为正常线路。
[0090]
步骤(e)纵联保护方法考虑到配电网一般呈辐射状，具有多分支多分段的结构特点，因此构造一种带制动特性的正序阻抗差动保护动作判据来减小分支负荷对保护动作性能的影响，具体保护判据为：
[0091]
zd≥k
res
·zres
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0092]
式中，k
res
为制动系数，其值在0-1中选取，区内经大过渡电阻故障时，需降低k
res
的取值来提高保护抗过渡电阻能力，区内分支负荷较大时，需提高k
res
的取值来防止保护误动；z
res
为制动阻抗，采用与电流差动保护中标积制动方式相同的计算方法，计算公式为：
[0093][0094]
式中：θ
12
为被保护线路两侧正序阻抗的相角差。
[0095]
将式(2)中求得的正序差动阻抗，与制动系数和制动阻抗之积进行比较，若正序差动阻抗大于等于制动系数和制动阻抗之积，则判定线路发生故障，反之，则判定线路为正常线路。
[0096]
线路最大不平衡电流所引起的最大不平衡电阻由电流互感器产生，其值明显小于带制动特性的正序阻抗差动保护动作判据门槛。
[0097]
正序阻抗差动保护判据中制动系数k
res
取0.4。
[0098]
在线路中进行仿真实验，表2显示了从f1到f3不同故障位置发生不同故障后，线路
l2正序阻抗差动保护的判别结果。
[0099]
表2
[0100][0101]
当线路在区内发生故障时，可以通过保护判据，正序差动阻抗大于判据值，故障可被正确识别。通过对故障点不同过渡电阻时的数据进行对比，当接地电阻较大时，应降低的取值而提高保护抗过渡电阻的能力。当区外线路发生故障时，两侧保护均流过系统电源或下游ibdg提供的短路电流。正序差动阻抗接近于零，远小于制动阻抗，保护不动作。当相邻线路发生故障时，保护处流过的电流小于正常最大运行电流，可快速判定出被保护线路为正常线路。
[0102]
步骤(f)纵联保护方法考虑到三相金属性短路故障时，正序差动阻抗会变为零，会导致保护无法正常动作。
[0103]
首先利用正序阻抗幅值特征，构造相应的正序阻抗保护辅助判据为：
[0104][0105]
式中：k
zrel
为可靠系数，其值一般取1.1～1.3，以达到保护线路全长的目的。
[0106]
近系统侧检测到的正序阻抗与保护距离故障点的位置成正比，将近系统侧正序阻抗，与正序阻抗辅助幅值门槛进行比较，若近系统侧正序阻抗小于正序阻抗辅助幅值门槛，说明被保护线路发生故障，反之，则判定线路为正常线路。
[0107]
步骤(g)纵联保护方法，检测三相金属性短路故障时，为了区别故障发生在线路分段点附近时的具体位置，利用故障发生在检测点两侧时，正序电流幅值差异明显的特点，通过设置正序电流保护辅助判据来实现，具体判据为：
[0108][0109]
式中：k
irel
为可靠系数，其值一般取2.0；i
dg1max
为下游所有分布式电源并网运行时近系统侧保护安装处上游侧故障点所能提供的最大短路电流，可在线路中测得。
[0110]
同时，考虑到为区分被保护线路远系统侧分段点附近的故障具体位置，设置正序电流保护闭锁判据，通过设置正序电流保护闭锁判据来实现，具体判据为：
[0111]
[0112]
式中：k
irel
为可靠系数，其值一般取2.0；i
dg2max
为下游所有分布式电源并网运行时远系统侧保护安装处上游侧故障点所能提供的最大短路电流，可在线路中测得。
[0113]
将正序阻抗保护辅助判据、正序电流保护辅助判据、正序电流保护闭锁判据三者相结合，可实现三相金属性故障的检测。
[0114]
将近系统侧正序电流，与正序电流保护辅助判据门槛比较，若近系统侧正序电流小于正序电流保护辅助判据门槛，则说明线路为正常线路，反之，则开始进行正序电流保护闭锁判据，将远系统侧正序电流，与正序电流保护闭锁判据门槛比较，若远系统侧正序电流大于等于正序电流保护闭锁判据，则远端将闭锁信号传输至近端纵联保护装置，判定线路为正常线路，避免保护误动，反之，则判定线路发生故障。
[0115]
三相金属性短路故障保护中阻抗幅值判据与电流幅值判据中可靠系数k
zrel
和k
irel
分别取1.2和2.0。z
set1
,i
set1
,i
set2
分别取4.96ω，0.036ka，0.048ka。
[0116]
在线路中进行三相金属性短路故障仿真实验，表3显示了从f1到f3不同故障位置发生三相金属性短路故障后，线路l2正序阻抗差动保护的判别结果。
[0117]
表3
[0118][0119][0120]
当线路发生三相金属性故障，利用针对三相金属性短路故障的保护辅助判据，可以正确识别区内外故障。
[0121]
步骤(h)当监测到被保护线路满足以下条件：
①
近系统端正序电流大于正常最大运行电流，且满足带制动特性的正序阻抗差动保护动作判据；
②
满足正序阻抗保护辅助判据和正序电流保护辅助判据，且不满足正序电流保护闭锁判据。则认为被保护线路发生故障时，被保护线路两端断路器跳闸，隔离故障。
[0122]
当判断出l1区段内发生故障时，故障区段两侧断路器跳闸，保护故障线路。
[0123]
对于非有效接地配电网，由于发生单相接地故障时故障电流特征不明显，该保护方法难以检测出被保护线路故障状态，需考虑配置其他单相故障接地保护方法进行故障判别。
[0124]
基于同一发明构思，本发明提供一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护装置，如图5所示，所述含逆变型分布式电源的配电网纵联保护装置包括：
[0125]
获取模块，用于获取配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值；
[0126]
纵联保护模块，用于基于配电网中被保护线路的正序差动阻抗、近电源端的正序阻抗以及两端正序电流幅值对被保护线路进行纵联保护。
[0127]
优选的，所述被保护线路的正序差动阻抗的计算式如下：
[0128][0129]
上式中，zd为被保护线路的正序差动阻抗，z
1+
为被保护线路近电源端的正序差动阻抗，z
2+
为被保护线路远电源端的正序差动阻抗，z
l1
为被保护线路总正序阻抗。
[0130]
优选的，所述纵联保护模块具体用于：
[0131]
当所述被保护线路的正序差动阻抗满足第一判据时，通过被保护线路两端安装的纵联保护装置控制被保护线路两端安装的断路器断开；
[0132]
当所述被保护线路的近电源端的正序阻抗满足第二判据、所述被保护线路的近电源端的正序电流幅值满足第三判据且所述被保护线路的远电源端的正序电流幅值满足第四判据时，通过被保护线路两端安装的纵联保护装置控制被保护线路两端安装的断路器断开。
[0133]
进一步的，所述第一判据的数学表达式如下：
[0134]
zd≥k
res
·zres
[0135]
上式中，k
res
为制动系数，z
res
为制动阻抗。
[0136]
进一步的，所述制动阻抗的计算式如下：
[0137][0138]
上式中，θ
12
为被保护线路两侧正序阻抗的相角差。
[0139]
进一步的，所述第二判据的数学表达式如下：
[0140][0141]
上式中，k
zrel
为第一可靠系数。
[0142]
进一步的，所述第三判据的数学表达式如下：
[0143][0144]
上式中，i
1+
为被保护线路的近电源端的正序电流幅值，k
irel
为第二可靠系数，i
dg1max
为被保护线路下游所有分布式电源并网运行时近电源端保护安装处上游侧故障点所能提供的最大短路电流。
[0145]
进一步的，所述第四判据的数学表达式如下：
[0146][0147]
上式中，i
2+
为被保护线路的远电源端的正序电流幅值，k
irel
为第二可靠系数，i
dg2max
为被保护线路下游所有分布式电源并网运行时远电源端保护安装处上游侧故障点所能提供的最大短路电流。
[0148]
进一步的，本发明提供一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行所述的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法。
[0149]
进一步的，本发明提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述的含逆变型分布式电源的配电网纵联保护方法。
[0150]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实
施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0151]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0152]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0153]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0154]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。